Wie Roboter von Fliegen sehen lernen

15. Juli 2009, 18:08
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    foto: mpi neurobiologie

    Der Blick ins Gehirn einer Schmeißfliege zeigt einzelne Nervenzellen, die durch fluoreszierende Farbstoffe sichtbar gemacht wurden.

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    Die Fliege (schwarzer Kreis) im Flugsimulator: Durch den halbrunden LED-Schirm werden dem Insekt Bewegungseindrücke vermittelt; Elektroden zeichnen die Reaktion der Gehirnzellen auf.

  • Video-Zusammenfassung des ACE-Projektes (engl.).

Flugsimulator für Schmeißfliegen vermittelt neue Erkenntnisse über Insekten-Wahrnehmung und hilft bei der Konstruktion intelligenter Maschinen

Bei allem technischen Fortschritt sind Insekten den heutigen Robotern in vielen Belangen noch immer meilenweit voraus. Eine Schmeißfliege, deren Flug zunächst scheinbar plump und taumelnd wirkt, ist bei genauerer Betrachtung zu beeindruckenden Luft-Kunststücken fähig. Um herauszufinden, wie Augen und Gehirne die Insekten zu ihren gewaltigen Leistungen befähigen, haben Wissenschaftler des Münchner Exzellenzclusters "Cognition for Technical Systems" (CoTeSys) einen Flugsimulator für Fliegen entwickelt. Damit erforschen sie, was während eines Fluges in deren Nervenzentren abläuft. Ziel der Wissenschafter ist es, diese Fähigkeiten zu nutzen, um beispielsweise Roboter zu bauen, die eigenständig ihre Umgebung wahrnehmen und daraus lernen.

* * *

Seit langem weiß die Forschung, dass Fliegen wesentlich mehr Bilder wahrnehmen als der Mensch. Während für menschliche Augen spätestens ab 25 Bildern pro Sekunde Einzelbilder in eine kontinuierliche Bewegung übergehen, erkennen Schmeißfliegen noch 100 Bilder pro Sekunde als einzelne Sinneseindrücke, können diese blitzschnell interpretieren und so ihre Bewegung steuern und die Lage im Raum exakt bestimmen.

Offenbar sind für diese Fähigkeiten sehr wenige Nervenzellen ausreichend. Das nur Millimeter kleine Fliegengehirn muss die von den Augen gelieferten Bilder sehr viel effizienter zu einer visuellen Wahrnehmung kombinieren, als es das menschliche Gehirn vermag. Im Rahmen von "CoTeSys" erkunden die Wissenschafter des Max-Planck-Instituts für Neurobiologie, wie Fliegen das zuwege bringen.

Fliegen-Flugsimulator

Unter der Leitung des Neurobiologen Alexander Borst haben die Forscher einen Fliegen-Flugsimulator gebaut. Hier werden Schmeißfliegen auf einem halbrunden Display unterschiedliche Muster, Bewegungen und Sinnesreize vorgespielt. Die Insekten sind an einem Halter befestigt, Elektroden registrieren die Reaktionen der Gehirnzellen. Bereits die ersten Ergebnisse lassen auf große Unterschiede zu Wirbeltieren bei der Verarbeitung von Bildern schließen.

Es zeigte sich, dass die Flugbewegungen im Raum in einem ersten Schritt ein Muster im Fliegengehirn erzeugen. Geschwindigkeit und Richtung einzelner Bildpunkte ergeben in jedem Moment ein typisches Bild von Bewegungsvektoren, den sogenannten "optischen Flussfeldern". In einem zweiten Schritt werden diese in der sogenannten "Lobula-Platte", einer höheren Ebene des Sehzentrums, ausgewertet.

In jeder Gehirnhälfte sind lediglich 60 Nervenzellen dafür zuständig, jede davon reagiert besonders intensiv, wenn das für sie passende Muster vorliegt. Wichtig für die Analyse der optischen Flussfelder ist, dass die Bewegungsinformation von beiden Augen zusammen geführt wird. Dies geschieht über eine direkte Verschaltung spezialisierter Nervenzellen, sogenannter VS-Zellen. So ergibt sich für die Fliege eine exakte Information über ihre Lage und Bewegung.

"Durch unsere Ergebnisse ist das für Rotationsbewegungen zuständige Netzwerk der VS-Zellen im Fliegengehirn heute einer der am besten verstandenen Schaltkreise des Nervensystems", erläutert Borst die Bedeutung dieser Untersuchungen. Diese Arbeiten bleiben aber nicht bei der reinen Grundlagenforschung stehen. Die Befunde der Martinsrieder Fliegenforscher sind besonders für die Ingenieure am Lehrstuhl für Steuerungs- und Regelungstechnik der Technischen Universität München (TUM) interessant, mit denen Borst im Rahmen von "CoTeSys" eng zusammenarbeitet.

Von der Fliegen- zur Robotersicht

Denn effiziente Wahrnehmung von visuellen Signalen ist für Roboterkonstrukteure ein wesentlicher Aspekt ihrer Forschung. Derzeit haben Roboter noch große Schwierigkeiten, ihre Umgebung nicht nur mit Kameras zu sehen, sondern auch wahrzunehmen, was sie sehen. Selbst das Erkennen von Hindernissen in ihrem eigenen Arbeitsumfeld dauert viel zu lange. Halten sich Menschen in im unmittelbaren Aktionsradius auf, so laufen diese Gefahr, vom Roboter nicht als solche erkannt zu werden. Aus diesem Grund müssen nach wie vor Gitter zum Schutz vor den maschinellen Helfern eingesetzt werden.

Die Forscher an der Technischen Universität entwickeln auf den Grundlagen der Erkenntnisse von Alexander Borst und seinem Team intelligente Maschinen, die über Kameras ihre Umwelt beobachten, daraus lernen und flexibel auf die jeweilige Situation reagieren. Ziel dieser Forschungsarbeiten sind Maschinen, die direkt mit dem Menschen interagieren und ihm dabei nicht gefährlich werden können.

Tatsächlich gibt es bereits erste praktische Umsetzungen: Momentan entwickeln die TUM-Forscher einen kleinen Flugroboter, der Fluglage und Bewegung durch visuelle Analyse im Computer nach dem Vorbild der Fliegengehirne kontrolliert. Bei einem weiteren Projekt wurde dem fahrbaren Roboter ACE (Autonomous City Explorer) die Aufgabe gestellt, durch Ansprechen und Fragen von Passanten vom Institut zum etwa 1,5 Kilometer entfernten Münchner Marienplatz zu finden. Dabei musste er auch die Gesten der Menschen interpretieren, die ihm den Weg zeigten, und er durfte sich - verkehrsgerecht - ausschließlich auf dem Gehsteig bewegen. Bei inzwischen mehreren Feldexperimenten in der Münchner Innenstadt war der ACE dazu ohne Probleme in der Lage. (red/derStandard.at, 15.7.2009)

Preger
00
16.7.2009, 11:42

Das bild des Fliegenkopfes mit den fluoreszierenden Nervenzellen ist aber schon ziemlich cool!

Preger, Teilzeitkuenstler/In

her wig
00
15.7.2009, 20:35

Naja, es sind nicht die Roboter, die sehen lernen. Es sind die intelligenten Roboter-Designer, die lernen wie Fliegen sehen. A propos: wie beweist man die Existenz eines optischen Flussfeldes? Sowas gibt's doch garnicht!

ChesneyB
00
16.7.2009, 11:25

Wenn die Forscher bei den im Artikel erwähnten Robotern neuronale Netze oder etwas Ähnliches verwenden, dann lernen die Roboter sehr wohl. Ich gehe davon aus, daß das der Fall ist. (Im Artikel wird's zumindest so beschrieben.)

her wig
00
16.7.2009, 12:47

Ja, da sind zwei Ebenen im Spiel: zum einen jene der ich sag' mal' Infrastruktur (also die Optik, das neuronale Netz etc.) und das was darauf abläuft (ein vorgefertigtes Programm und/oder die Aktivitäten eines neuronalen Netzes).

Finn McCool
00
16.7.2009, 00:06

Schon wieder am polemisieren, Ungläubiger? ;-)

her wig
00
16.7.2009, 10:58

Ich glaube an die Kraft der Provokation ;-)

Davon abgesehen zeigt sich hier der Unterschied zwischen den objektiven Dingen, und dem subjektiven Erleben -- sowas wie ein Flussfeld gibt es, aber nur in einem bestimmten subjektiven Bewusstsein/Erleben.

Aber die objektiven Erkenntnisse können letztlich auch nur subjektiv aufgefasst werden, sonst wüssten wir nichts von ihnen, was eine gewisse Bedingtheit in's Spiel bringt...

amphioxus
 
07
15.7.2009, 22:57
optic flow

Ein optisches Flussfeld beschreibt bloss was sich in einer Szene von einem Moment zum naechsten aendert und in welcher Richtung diese Aenderung passieren. Am einfachsten kann man sich das ganze vorstellen, wenn man an ein SciFi movie denkt, in dem ein Raumschiff super schnell durch's Weltall fliegt. Rundum sind helle Sterne und der Captain sitzt im cockpit und schaut gerade aus. Die Sterne direkt vor ihm bewegen sich nicht (optic flow = 0), waehrend sie sich am Rand des visuellen Feldes schneller verschieben (optic flow > 0). D.h. fuer den Geradeausflug gibt's ein spezielles optic flow Muster. Fliegen haben spezielle Nervenzellen, die auf solche Muster optimiert sind. Hier mehr zum optic flow: http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_flow

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